CN117357125A - 基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，所述装置包括顶盖、壳体与底座，所述顶盖盖设于所述壳体的顶部，所述底座设置于所述壳体的底部；所述壳体内设有安装腔，所述安装腔内设有主板和若干采集板，所述主板上设有若干插槽，若干所述采集板插接于所述插槽内；其中，若干所述采集板用于体表电信号的采集。
Description
技术领域
本发明涉及人体体表生理电信号监测的技术领域，具体涉及基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置及方法。
背景技术
体表生理电信号是生物体表两点之间的电位差，通过仪器绘制一组或多组电位差的大小或变化。
但是现有的体表标测系统存在以下不足：
1、体表电位通道数量少且不可拓展通道：目前国内已有的自主研发的设备最高支持通道数量为120通道，无法支持更高分辨率的体表电位测量(硬件方面)。
2、有线连接：目前国内已有的自主研发的设备在传输数据时只能采用有线连接的方式，无法支持无线传输数据，设备的便携性较低(通讯传输)。
3、缺乏通过密集体表电来可视化的表征情绪变化的软硬件集成装置。缺乏通过将多导体表电映射于躯干几何上情感图谱计算装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置与图谱生成方法，通过引入WI F I模块实现了一定的便携性能，同时支持高分辨率的体表电位标测系统以及情绪图谱生成方法。具体的说，本方的硬件电路部分同时采集多路通道的体表电位，并将采集到的体表电位信息经过模数转换后采用无线传输的方式发送给情感图谱可视化软件，情感图谱可视化软件将接收到的体表电位信息映射成到人体的三维模型中，并根据电位变化的幅度设定颜色变化的范围，通过采集点处改变不断的变化实现情绪变化时体表电位的三维空间可视化。此外，设备采集的体表电位可用于分析不同情绪状态下的体表电位空间分布差异，寻找具有空间辨识度的情绪-体表电位标记物。此外，面对传统ECG信号在有限导联下信号密度较低的问题，利用密集体表电采集装置，可实现在较高密度下可视化情绪活动带来的心电活动更细粒度的微观变化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，所述装置包括顶盖、壳体与底座，所述顶盖盖设于所述壳体的顶部，所述底座设置于所述壳体的底部；所述壳体内设有安装腔，所述安装腔内设有主板和若干采集板，所述主板上设有若干插槽，若干所述采集板插接于所述插槽内；其中，若干所述采集板用于体表电信号的采集。
需要说明的是，所述顶盖的表面设有开槽；若干所述采集板设有HDMI端口，所述HDM I端口位于所述开槽中。
需要说明的是，所述采集板的数量为4个，总共采集128通道的生理电信号。
需要说明的是，所述采集板具有控制器，以及分别与所述控制器电气连接的滤波电路、模拟放大模块、稳压电路、右腿驱动电路、AD采集和导联脱落检测模块；其中，每块采集板负责采集32通道的数据，32通道数据相互独立。
需要说明的是，所述滤波电路用于信号滤波抗混叠；所述模拟放大模块具有1、2、3、4、6、8或12倍的信号增益；所述稳压电路进行稳定3V3电压供电，并将模拟供电与数字供电分隔；每块采集板均设有所述右腿驱动电路，进行32路共模信号的提取；每块采集板具备32个独立的24位精度ADC转换器，进行模数转换；所述导联脱落检测用于连续监控电极连接来确保信号的持续性采集；所述控制器调配AD转换的信号进行SPI通信，将采集到的生理数据传输至主板。
需要说明的是，所述采集板以菊花链形式相连，其中，第二块、第三块、第四块采集板的右腿驱动电路采集的共模信号传输至第一块采集板构成128路的共模信号传输回人体，进行共模抵消。
需要说明的是，还包括WIFI模块，所述WIFI模块用于无线传输获得生理电信号数据。
本发明还提供一种基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置的监测方法，所述方法包括将导联线紧贴在受检测者的体表，开启体表电位标测装置，通过WiFi进行无线连接，将获得的生理电信号的数据处理后，实时显示波形，实现情绪变化时体表电位的三维空间可视化。
需要说明的是，还包括波形显示模块、体表电位三维空间可视化模块和数据存储模块，其中
所述波形显示模块：将人体心电信号的每个区域直观的显示，并将接收到的数据进行滤波，实时显示在Wi nform窗口上；
体表电位三维空间可视化模块：根据体表电位通道的空间位置信息，将接收到的体表电位信息映射成颜色信息，投影到导入的人体的三维模型中，实现体表电位的三维空间可数据视化；
数据存储模块：在开始保存数据时，在数据处理线程将数据拷贝到数据保存队列，在数据保存线程将数据保存队列里的数据添加到Sq l i st，停止保存数据时，开启数据导出线程，将Sq l i st里的数据导出为本地.mat文件。数据保存是自定义功能，即用户可以选择保存也可以选择不保存。
需要进一步说明的是，本发明的情绪变化在三维空间上进行可视化流程中的关键信息为：
1、系统中预设有人体上半身躯干的三维模型，该模型的构成分为躯干关键点的三维坐标、坐标之间的连接线以及连接线所组成的局部三角形区域。
2、情绪图谱可以实时展示也可以自定义展示，包括选择感兴趣区域以及感兴趣的时间点。l三维情感图谱的展示过程可以通过图片或视频的方式导出与本地保存。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的设备具备便携性，同时支持高分辨率的体表电位采集，该系统同时采集多路通道的体表电位，并将采集到的体表电位通过无线传输的方式发送到体表电位可视化软件，实时将体表电位信息投影到人体的三维模型中。
2、本发明中的情绪图谱个性化展示功能，可以个性化满足不同用户的情绪变化监测，系统可为每个用户建立不同的躯干三维可视化模型。
3、情绪图谱可描述的情感变化范围广，由于本系统是通过感知和分析人体体表电来观测情绪变化的，因此理论上可以监测任何情绪状态下的情绪图谱，可为后续分类模型或回归模型提供广泛的抽象知识。
4、本发明的设备采集的体表电位可分析不同情绪状态下的体表电位特征空间分布差异，寻找具有空间辨识度的情绪-体表电位标记物。
附图说明
图1为本发明的设备外壳整体结构示意图；
图2为本发明的设备外壳结构拆卸顶盖、底座后结构示意图；
图3为本发明的设备外壳拆卸安装腔结构的主视示意图；
图4为本发明的安装腔内电路板装配体结构的主视示意图；
图5为本发明的采集板上的模块连接框架示意图；
图6为本发明的主程序设计框架逻辑示意图；图7为本发明的系统主界面的示意图；
图8为本发明的实现数据滤波与信号波形实时显示示意图；
图9为本发明的实现体表电位立体可视化示意图。
图10为本发明实施例中某一时刻体表电位信号按照幅值信息投影到人体三维模型可视化效果示意图；
图11为本发明实施例中展现不同情感状态下体表电位信号特征图谱空间分布差异示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，所述装置包括顶盖、壳体与底座，所述顶盖盖设于所述壳体的顶部，所述底座设置于所述壳体的底部；所述壳体内设有安装腔，所述安装腔内设有主板和若干采集板，所述主板上设有若干插槽，若干所述采集板插接于所述插槽内；其中，若干所述采集板用于体表电信号的采集。
需要说明的是，所述顶盖的表面设有开槽；若干所述采集板设有HDM I端口，所述HDM I端口位于所述开槽中。
需要说明的是，所述采集板的数量为4个，总共采集128通道的生理电信号。
需要说明的是，所述采集板具有控制器，以及分别与所述控制器电气连接的滤波电路、模拟放大模块、稳压电路、右腿驱动电路、AD采集和导联脱落检测模块；其中，每块采集板负责采集32通道的数据，32通道数据相互独立。
需要说明的是，所述滤波电路用于信号滤波抗混叠；所述模拟放大模块具有1、2、3、4、6、8或12倍的信号增益；所述稳压电路进行稳定3V3电压供电，并将模拟供电与数字供电分隔；每块采集板均设有所述右腿驱动电路，进行32路共模信号的提取；每块采集板具备32个独立的24位精度ADC转换器，进行模数转换；所述导联脱落检测用于连续监控电极连接来确保信号的持续性采集；所述控制器调配AD转换的信号进行SPI通信，将采集到的生理数据传输至主板。
需要说明的是，所述采集板以菊花链形式相连，其中，第二块、第三块、第四块采集板的右腿驱动电路采集的共模信号传输至第一块采集板构成128路的共模信号传输回人体，进行共模抵消。
需要说明的是，还包括WIFI模块，所述WIFI模块用于无线传输获得生理电信号数据。
本发明还提供一种基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置的监测方法，所述方法包括将导联线紧贴在受检测者的体表，开启体表电位标测装置，通过WiFi进行无线连接，将获得的生理电信号的数据处理后，实时显示波形，实现体表电位的三维空间可视化。
需要说明的是，还包括波形显示模块、体表电位三维空间可视化模块和数据存储模块，其中
所述波形显示模块：将人体具体导联的心电信号进行接收，并将接收到的数据进行滤波，实时显示在Wi nform窗口上；
体表电位三维空间可视化模块：根据体表电位通道的空间位置信息，将接收到的体表电位信息映射到人体躯干几何上，并根据电位变化范围转化成具有连续变化属性的RGB信息，进一步绘制在躯干几何的三维坐标点，连接线和平面上，实现体表电位的三维空间可数据视化；
数据存储模块：在开始保存数据时，在数据处理线程将数据拷贝到数据保存队列，在数据保存线程将数据保存队列里的数据添加到Sq l i st，停止保存数据时，开启数据导出线程，将Sq l i st里的数据。
需要指出的是，本发明主板上的ESP32芯片是一款常用的物联网芯片，也是整个硬件系统的核心，其接收来自上位机的指令发出控制信号、通过SPI协议接收来自采集板的数据、进行数据的打包并通过WiFi协议将封装好的数据传输给上位机软件。ESP32通过USB转串口驱动电路实现和上位机的有线连接，进行主控程序的烧录和调试。
整个硬件系统有两种供电方式，供电选择电路优先选择USB供电，同时还会通过USB给电池充电，USB未连接时则通过电池供电。供电自动选择电路分别给ESP32和ISO数字隔离芯片供电，同时通过升压稳定电路给DCP隔离电源供电，数字隔离电路和隔离电源电路共同组成隔离电路。再通过低压线性稳压器(LDO)分别进行模拟电源供电、数字电源供电、ISO数字隔离芯片供电(数字隔离芯片需要双向供电)和晶振芯片供电。此外，主板上还存在ADS1298的时钟电路的星型连接，以使其能同步工作。
实施例1
如图1至图4所示，本发明包括顶盖1、壳体2、底座3。参照附图1-4，所述顶盖1左表面有开槽102、“顶盖-壳体”螺孔101，所述开槽102旁有对应文字标识103，所述顶盖1侧面有“BSPM”文字标识104、加强筋105，所述顶盖1右表面有显示窗106、显示孔107，所述顶盖1右表面也有相同螺孔101；所述壳体2前后表面有文字标识203和“壳体-底座”螺孔207，所述壳体2后表面有带“Antenna(天线)”文字标识的孔206，所述壳体2右侧面有“Type-C”标识的开槽204和有“M i cro Sd Card”标识的开槽205，所述壳体2内部设计为安装腔4，所述安装腔4为PCB加工的电路板装配而成，所述电路板分采集板401和主板404并各自带有固定电路板的螺孔401、407；所述底座3为方形盒状的带侧面螺孔302的装配件，所述底座3有承重柱301。
进一步地，所述顶盖1左表面八个开槽102用以对应安装腔4内采集板401上HDM I连接器403，所述加强筋105用以连接稳固顶盖1左表面与右表面，所述右表面显示孔107对应主板上开关元器件、LED灯等，显示窗106对应显示安装腔内主板404上元器件连接情况，所述顶盖1左右表面的螺孔101对准壳体2内螺孔横向螺孔201以连接设备中上部分。
进一步地，所述壳体2前后表面有文字标识203以简略显示设备外壳信息，所述壳体2前后表面下方各两个螺孔207与底座侧面螺孔302对应连接以固定设备外壳中下部分，所述壳体2后表面左下方孔206对应安装腔主板404上表面WI F I封装器405，所述壳体2右侧面Type-C开槽和M icro SD Card开槽分别连接主板404上表面的Usb-C表面贴装器406和下表面的TF-SMD卡座。
实施例2
如图5所示，体表电信号采集板为体表电位标测系统的核心单元，采集板包括滤波电路、模拟放大模块、稳压电路、右腿驱动电路、AD采集、导联脱落检测系统、控制器部分。
本系统包含4块体表电信号采集板，总共采集128通道的生理电信号。由于本系统采取腹部固定位置作为参考点位点，并设立右腿驱动电路，故共具有130根导联线。
每块采集板负责采集32通道的数据，32通道数据相互独立，滤波处理后进行模拟放大。经过放大滤波处理后的信号由控制器控制AD采集芯片采样(采样精度为24位)，控制器将采集的数据通过SPI通讯的方式传输到主控板。同时每块采集板内部设立稳压电路进行模拟、数字供电。
右腿驱动电路110：每块信号采集板均配有右腿驱动电路，进行32路共模信号的提取。该系统中，四块信号采集板以菊花链形式相连，二、三、四块信号采集板右腿驱动电路采集的共模信号传输至第一块信号采集板构成128路的共模信号传输回人体，进行共模抵消。
导联脱落检测120：患者电极阻抗随时间的推移而衰减，通过连续监控这些电极连接来确保信号的持续性采集。四块信号采集板对130个电极进行脱落检测。
滤波电路130：信号采集板内部设有二阶无源低通滤波电路，起到信号滤波抗混叠作用。
模拟放大模块140：每通道信号可调节具备可编程增益放大器，具有1、2、3、4、6、8或12倍的信号增益。
AD采集150：每块信号采集板具备32个独立的24位精度ADC转换器，进行模数转换。
控制器160：控制器调配AD转换的信号进行SP I通信，将采集到的生理数据传输至主控板。
稳压电路170：进行稳定3V3电压供电，并将模拟供电与数字供电分隔。
实施例3
如图6所示，本发明基于Wi ndows系统下的Wi nform桌面作为上位机，Wi nform是微软Vi sua l Stud i o I DE开发平台下的桌面应用开发，本发明充分利用C++高级语言的优势和灵活性以及高扩展性开发上位机监控界面，设计具有人机交互、界面友好的用户界面，实现配置设备参数、信号同步采集、信号滤波、显示实时波形、体表电位三维空间可视化、数据存储等功能。
实施例4
如图7至图9所示，本发明软件界面由三个窗口组成。第一个窗口为主界面，集成各操作按钮，实现功能控制：网络连接、数据采集、数据存储、波形显示、体表电位立体显示；第二个窗口实现数据滤波与信号波形实时显示；第三个窗口实现体表电位立体可视化。
实施例5
本发明通过WiFi连接，数据处理后，实时显示波形，实现体表电位的三维空间可视化。其中，主要包括三个模块：波形显示模块、体表电位三维空间可视化模块、数据存储模块。
(1)波形显示模块：心电数据最直观的显示方式是心电图，其可将人体心电信号的每个区域直观的显示出来，该模块将接收到的数据进行滤波，实时显示在Wi nform窗口上；
(2)体表电位三维空间可视化模块：该模块根据体表电位通道的空间位置信息，将接收到的体表电位信息映射成颜色信息，投影到导入的人体的三维模型中，实现体表电位的三维空间可数据视化；
(3)数据存储模块：模块在开始保存数据时，在数据处理线程将数据拷贝到数据保存队列，在数据保存线程将数据保存队列里的数据添加到Sq l i st，停止保存数据时，开启数据导出线程，将Sq l i st里的数据导出为本地.mat文件。
实施例6
如图10所示，为某一时刻体表电位信号按照幅值信息投影到人体三维模型可视化效果，其中，左图侧为人体前胸体表电位信号分布图，右图为人体后背体表电位信号分布图。
实施例7
如图11所示，为直观展现不同情感状态下体表电位信号特征图谱空间分布差异，通过谱估计的方式计算得到体表电位功率谱密度，继而选取特定频段的体表电位信号计算得到功率，最后将不同通道的体表电位功率特征通过插值以热力图的形式映射到人体体表区域，直观呈现高密度体表电位信号情感图谱。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，所述装置包括顶盖、壳体与底座，所述顶盖盖设于所述壳体的顶部，所述底座设置于所述壳体的底部；所述壳体内设有安装腔，所述安装腔内设有主板和若干采集板，所述主板上设有若干插槽，若干所述采集板插接于所述插槽内；其中，若干所述采集板用于体表电信号的采集。
2.根据权利要求1所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，所述顶盖的表面设有开槽；若干所述采集板设有HDMI端口，所述HDMI端口位于所述开槽中。
3.根据权利要求1或2所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，所述采集板的数量为4个，总共采集128通道的生理电信号。
4.根据权利要求3所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，所述采集板具有控制器，以及分别与所述控制器电气连接的滤波电路、模拟放大模块、稳压电路、右腿驱动电路、AD采集和导联脱落检测模块；其中，每块采集板负责采集32通道的数据，32通道数据相互独立。
5.根据权利要求4所述的用于情绪状态监测的体表电位标测装置，其特征在于，所述滤波电路用于信号滤波抗混叠；所述模拟放大模块具有1、2、3、4、6、8或12倍的信号增益；所述稳压电路进行稳定3V3电压供电，并将模拟供电与数字供电分隔；每块采集板均设有所述右腿驱动电路，进行32路共模信号的提取；每块采集板具备32个独立的24位精度ADC转换器，进行模数转换；所述导联脱落检测用于连续监控电极连接来确保信号的持续性采集；所述控制器调配AD转换的信号进行SPI通信，将采集到的生理数据传输至主板。
6.根据权利要求5所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，所述采集板以菊花链形式相连，其中，第二块、第三块、第四块采集板的右腿驱动电路采集的共模信号传输至第一块采集板构成128路的共模信号传输回人体，进行共模抵消。
7.根据权利要求1所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置，其特征在于，还包括WIFI模块，所述WIFI模块用于无线传输获得生理电信号数据。
8.一种使用如权利要求1所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置的监测方法，其特征在于，所述方法包括将导联线紧贴在受检测者的体表，开启体表电位标测装置，通过WiFi进行无线连接，将获得的生理电信号的数据处理后，实时显示波形，实现体表电位的三维空间可视化。
9.根据权利要求8所述的基于高密度体表电位标测技术的情感图谱生成装置的监测方法，其特征在于，还包括波形显示模块、体表电位三维空间可视化模块和数据存储模块，其中
所述波形显示模块：将人体心电信号的每个区域直观的显示，并将接收到的数据进行滤波，实时显示在Winform窗口上；
体表电位三维空间可视化模块：根据体表电位通道的空间位置信息，将接收到的体表电位信息映射成颜色信息，投影到导入的人体的三维模型中，实现体表电位的三维空间可数据视化；
数据存储模块：在开始保存数据时，在数据处理线程将数据拷贝到数据保存队列，在数据保存线程将数据保存队列里的数据添加到Sqlist，停止保存数据时，开启数据导出线程，将Sqlist里的数据导出为本地.mat文件。
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